張宏偉，陳東源，張玉鵬，劉?珺

變螺距推進(jìn)器設(shè)計(jì)與研究

張宏偉，陳東源，張玉鵬，劉?珺

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350)

本文提出了一種采用螺距變化方式實(shí)現(xiàn)側(cè)向力輸出的水下航行器推進(jìn)器方案．該推進(jìn)器內(nèi)部有主推電機(jī)、螺距控制電機(jī)及齒輪組，螺距控制軸與推進(jìn)主軸同軸安裝，通過對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制可以周期性地改變槳葉的螺距角，從而實(shí)現(xiàn)側(cè)向力輸出．采用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)方法對該推進(jìn)器的水動力特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：采用正弦曲線的規(guī)律控制螺距角變化可以產(chǎn)生穩(wěn)定的側(cè)向力，側(cè)向力曲線在槳盤極坐標(biāo)下為圓形；平均側(cè)向力方向與螺距控制初始相位方向一致；在螺距角變化幅值為9°的情況下，產(chǎn)生的平均側(cè)向力大小約為40N．此外還仿真研究了側(cè)向力、推力與螺距角變化幅值、轉(zhuǎn)速的關(guān)系，結(jié)果表明：當(dāng)螺距角變化采用正弦曲線時，推進(jìn)器產(chǎn)生的平均側(cè)向力與螺距角變化幅值及轉(zhuǎn)速的平方成正比；而平均推力受螺距角變化幅值影響不大，與轉(zhuǎn)速的平方成正比．將仿真結(jié)果應(yīng)用于自主水下航行器(AUV)的動力學(xué)模型，驗(yàn)證裝有此推進(jìn)器的AUV的操縱情況．計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)水下升潛和水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動時，采用基于螺距控制的推進(jìn)器可以實(shí)現(xiàn)良好的操縱效果．相較于傳統(tǒng)的螺旋槳＋舵的操縱方式，該方案結(jié)構(gòu)簡單、減少了電機(jī)數(shù)量、提升了AUV艉部空間利用率．與已有矢量推進(jìn)方案相比，變螺距推進(jìn)器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、側(cè)向力可控性好的優(yōu)點(diǎn)．臺架測試結(jié)果表明該變螺距原理能夠?qū)崿F(xiàn)槳葉螺距的周期調(diào)整，可用于實(shí)現(xiàn)AUV平臺的矢量推進(jìn)．

推進(jìn)器；螺距變化；計(jì)算流體動力學(xué)仿真；運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)

隨著國家對海洋資源開發(fā)和海洋權(quán)益重要性的認(rèn)識不斷提升，水下航行器技術(shù)得到了快速發(fā)展，應(yīng)用也越來越廣泛．水下航行器通常采用的推進(jìn)與操縱方式有多推進(jìn)器、推進(jìn)器＋舵、仿生推進(jìn)、矢量推進(jìn)等[1]．

多推進(jìn)器方式一般利用多個推進(jìn)器結(jié)合控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對水下航行器多自由度的操縱[2]，其優(yōu)點(diǎn)是控制靈活、設(shè)計(jì)和制造方便，但推進(jìn)效率不高，且影響水動力外形．仿生推進(jìn)作為一個發(fā)展中的新方向，越來越受到重視，主要技術(shù)路線是將機(jī)械、電子、材料等學(xué)科與生物的游動原理相結(jié)合，改進(jìn)AUV的操縱性[3]．應(yīng)用仿生推進(jìn)技術(shù)的水下航行器噪音小、節(jié)能、操控靈活[4]，但無法攜帶大載荷工作，目前還不能夠成為主流推進(jìn)方式．推進(jìn)器＋舵是目前AUV采用較多的一種操控方式，能夠適用大多數(shù)的工況，但這種操縱方式在低速的情況下操縱效果不太理想．矢量推進(jìn)方式通常有兩種方式，一種通過機(jī)械結(jié)構(gòu)改變推進(jìn)器空間姿態(tài)從而實(shí)現(xiàn)推力的矢量化[5]，有較好的低速操縱性，如Bluefin公司生產(chǎn)的矢量推進(jìn)器．另一種通常采用偏心盤或自動傾斜器等機(jī)械結(jié)構(gòu)來控制螺距在轉(zhuǎn)動的過程中周期性變化，從而實(shí)現(xiàn)推力的矢量化[6]，如文獻(xiàn)[7-8]研究的采用多個伺服電機(jī)控制傾斜盤或偏心盤的偏轉(zhuǎn)，通過多個連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)槳葉螺距的周期性變化，產(chǎn)生側(cè)向操縱力，實(shí)現(xiàn)了水下航行器的無舵操縱．

通過控制推進(jìn)器位姿或調(diào)速螺旋槳螺距可以實(shí)現(xiàn)矢量推力的輸出，但通過機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)螺旋槳、通過偏心盤或自動傾斜器等實(shí)現(xiàn)水下航行器的無舵操縱設(shè)計(jì)成本相對較高，機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可靠性較差，同時艉部尺寸需求較大，也會增加阻力．為了簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，減小艉部尺寸，可以研究采用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)槳葉螺距實(shí)時控制的方案．2018年，Paulos等[9]提出一種采用電機(jī)力矩控制實(shí)現(xiàn)無人機(jī)運(yùn)動控制的方法，使螺旋槳通過一個專門設(shè)計(jì)的傾斜螺距鉸鏈產(chǎn)生超前或滯后效果，從而周期性改變螺距，無需傾斜盤和空間鉸鏈等復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，有效降低了設(shè)計(jì)成本及復(fù)雜性．Littlefiel等[10]提出采用單葉螺旋槳實(shí)現(xiàn)側(cè)向力操縱的方案，利用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)槳葉轉(zhuǎn)速的周期變化，從而產(chǎn)生操縱力．

本文提出了一種采用螺距變化方式產(chǎn)生側(cè)向操縱力的推進(jìn)器方案，該方案將螺距控制軸與推進(jìn)器主軸同軸安裝，利用光電傳感器實(shí)時跟蹤推進(jìn)主軸相位，控制槳葉在槳盤圓周上實(shí)現(xiàn)螺距角的實(shí)時與周期控制，產(chǎn)生側(cè)向力，無須舵機(jī)和復(fù)雜的矢量機(jī)構(gòu)，通過控制螺距角變化規(guī)律即可實(shí)現(xiàn)對側(cè)向力的調(diào)整，操縱靈活、結(jié)構(gòu)簡單．建立了螺距角變化的控制規(guī)律，并從仿真方面分析了此推進(jìn)器螺距角在正弦變化規(guī)律下水動力的特性．根據(jù)AUV運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)模型仿真預(yù)測了搭載此推進(jìn)器的AUV豎直面升潛運(yùn)動與水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動情況．介紹了推進(jìn)器實(shí)物及臺架測試實(shí)驗(yàn)．

1?推進(jìn)器總體設(shè)計(jì)

基于螺距控制的推進(jìn)器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，該推進(jìn)器采用兩臺伺服電機(jī)分別驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動(主推電機(jī))和控制槳葉螺距(螺距控制電機(jī))．主推電機(jī)通過減速器連接推進(jìn)主軸，可以帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動．推進(jìn)主軸為中空軸，螺距控制軸從主推電機(jī)的空心減速器及推進(jìn)主軸中間穿過，由螺距控制電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)過1∶1的錐齒輪組后驅(qū)動槳葉軸．該結(jié)構(gòu)方案采用空心減速機(jī)使得螺距控制電機(jī)可以與主推電機(jī)并行在艙內(nèi)平行布局，有效減少了軸向長度，同時采用錐齒輪傳動以適應(yīng)尾部空間布局，保持了推進(jìn)器的流線外形．推進(jìn)器外觀如圖2所示．

圖1?推進(jìn)器結(jié)構(gòu)簡圖

圖2?推進(jìn)器外觀

當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速和槳葉調(diào)距軸的轉(zhuǎn)速相同時，槳葉螺距為固定值不變，產(chǎn)生恒定軸向推力[11]．當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速與調(diào)距軸速度不同，即調(diào)距軸轉(zhuǎn)動相位超前或滯后于主推軸相位時，槳葉軸會繞自身軸轉(zhuǎn)動，槳葉螺距將發(fā)生變化，一個槳葉的螺距角會增大，另一個槳葉螺距角減小．根據(jù)控制系統(tǒng)所要求輸出的側(cè)向力的大小和方向需求，在槳葉盤面圓周上，周期性地調(diào)整螺距角，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的側(cè)向力輸出．

推進(jìn)器內(nèi)部詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖3所示．

圖3?推進(jìn)器結(jié)構(gòu)

采用麻省理工大學(xué)編寫的螺旋槳設(shè)計(jì)程序Openprop對螺旋槳參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[12]，槳葉模型如圖4所示．

圖4?槳葉模型

2?螺距控制分析

變螺距推進(jìn)器通過螺距角的周期變化來產(chǎn)生側(cè)向力，螺距角的變化規(guī)律有正弦變化規(guī)律、梯形變化規(guī)律、矩形變化規(guī)律等．

梯形變化規(guī)律相對于正弦變化規(guī)律來說，其螺距角變化過程不夠平滑，對螺距角變化規(guī)律求導(dǎo)得到的螺距控制電機(jī)角速度變化規(guī)律不連續(xù)，容易造成調(diào)速過程中的沖擊和振動．而矩形變化規(guī)律相對于梯形變化規(guī)律來說，變化過程更為劇烈，因此選用正弦曲線的螺距角變化規(guī)律．

3?螺距控制計(jì)算流體動力學(xué)仿真

3.1?計(jì)算域設(shè)置及網(wǎng)格劃分

在ICEM中建立圓柱形計(jì)算域，直徑為4，長度取為10，計(jì)算域整體網(wǎng)格如圖6所示．為了獲得更為可靠的結(jié)果，對螺旋槳附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，螺旋槳區(qū)域網(wǎng)格如圖7所示，對于整體流域采用大網(wǎng)格[13]，網(wǎng)格整體數(shù)量為100×104，采用Tetra/Mixed非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格類型．

圖6?動網(wǎng)格ICEM的網(wǎng)格

圖7?槳葉附近網(wǎng)格

3.2?Fluent仿真分析

為了進(jìn)行推進(jìn)器變螺距過程的仿真，采用UDF函數(shù)定義螺旋槳的轉(zhuǎn)動及變螺距過程，利用動網(wǎng)格進(jìn)行瞬態(tài)仿真．由于此運(yùn)動槳葉運(yùn)動較復(fù)雜，網(wǎng)格邊界運(yùn)動范圍較大，節(jié)點(diǎn)更新方法選擇網(wǎng)格光順法與網(wǎng)格重劃分技術(shù)結(jié)合使用．運(yùn)動過程中時間間隔過大會造成負(fù)體積，時間間隔過小會造成計(jì)算量過大，最終設(shè)置時間間隔為0.001s．

在槳葉設(shè)定的進(jìn)速系數(shù)下，設(shè)置入口速度1.5m/s，螺旋槳轉(zhuǎn)速250r/min，固定螺距時，推力仿真結(jié)果如圖8所示，推力約為120N．

3.2.1?仿真方法驗(yàn)證算例

采用Fluent滑移網(wǎng)格的方法對此螺旋槳模型進(jìn)行了不變螺距情況下的推力仿真，與動網(wǎng)格仿真方法的推力數(shù)值進(jìn)行對比．滑移網(wǎng)格計(jì)算域設(shè)置時，入口速度設(shè)置為1.5m/s，在整體靜止的靜域內(nèi)建立動域作為Mesh motion運(yùn)動區(qū)域，轉(zhuǎn)速設(shè)置為250r/min. 動域外表面設(shè)置為Interface交界面，槳葉在動域內(nèi)．整體網(wǎng)格如圖9所示，仿真結(jié)果如圖10所示，不變螺距的情況下推力大小為123N，與動網(wǎng)格仿真的結(jié)果120N接近．

圖8?不變螺距推力仿真

圖9?滑移網(wǎng)格ICEM的網(wǎng)格

圖10?滑移網(wǎng)格推力仿真

對實(shí)驗(yàn)室一款三葉螺旋槳采用動網(wǎng)格方法對推力進(jìn)行仿真驗(yàn)證，該螺旋槳模型如圖11所示，在航速為1.5m/s、轉(zhuǎn)速為250r/min時推力為104N．仿真結(jié)果如圖12所示，動網(wǎng)格仿真推力大小為100.4N，誤差為3.4%．

圖11?螺旋槳模型

通過滑移網(wǎng)格推力仿真驗(yàn)證與三葉螺旋槳推力驗(yàn)證，表明該動網(wǎng)格仿真方法過程可靠，結(jié)果具有可信度．

圖12?推力仿真

3.2.2?螺距角正弦控制規(guī)律仿真

利用動網(wǎng)格方法對該推進(jìn)器螺距控制的過程進(jìn)行仿真，設(shè)置螺旋槳軸線水平放置，入口速度為1.5m/s，UDF設(shè)置螺旋槳轉(zhuǎn)速為250r/min，因?yàn)镺penprop設(shè)計(jì)螺旋槳在不變螺距的情況下，效率較高，因此螺距角變化不宜過大．同時在仿真的過程中，當(dāng)螺距角變化幅值為9°時就可以產(chǎn)生比較理想的側(cè)向力．因此這里設(shè)置螺距角變化幅值為9°．隨著槳葉的旋轉(zhuǎn)和螺距的變化，推進(jìn)器同時產(chǎn)生推力與側(cè)向力．推進(jìn)器產(chǎn)生的推力如圖13所示，平均推力約為120N．將一個周期內(nèi)側(cè)向力在槳盤極坐標(biāo)平面上表示如圖14所示，側(cè)向力的平均值約為40N．

圖13?變螺距推力仿真

圖14?變螺距側(cè)向力仿真

仿真結(jié)果表明，采用此螺距控制的方式可以產(chǎn)生穩(wěn)定的側(cè)向力，平均側(cè)向力方向與螺距控制初始相位方向一致．此外，推進(jìn)器的推力會隨著螺距角的變化產(chǎn)生小幅度的周期性變化，但總體上對推力影響并不顯著．

3.2.3?推力、側(cè)向力與螺距角控制幅值關(guān)系仿真

對于此推進(jìn)器，在正弦控制規(guī)律下，螺距角變化幅值作為側(cè)向力主要控制量，對于整個螺旋槳的水動力性能有非常大的影響，有必要在不同的螺距角變化幅值下分析此推進(jìn)器的水動力表現(xiàn)．本文分別在螺距角變化幅值為3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°的情況下進(jìn)行仿真分析．

圖15?平均推力隨螺距角控制幅值的變化

圖16?平均側(cè)向力隨螺距角控制幅值變化

3.2.4?推力、側(cè)向力與轉(zhuǎn)速關(guān)系仿真

除了螺旋槳的螺距外，轉(zhuǎn)速也是影響螺旋槳水動力的關(guān)鍵因素．設(shè)置推進(jìn)器螺距角變化的正弦控制規(guī)律幅值為9°，對不同轉(zhuǎn)速的推進(jìn)器螺距控制過程進(jìn)行水動力仿真分析，分析平均推力及平均側(cè)向力隨轉(zhuǎn)速的變化．

由圖17、圖18可以看出，對相同的螺距變化規(guī)律來說，推進(jìn)器平均推力與平均側(cè)向力與轉(zhuǎn)速的平方呈線性關(guān)系．

圖17?平均推力隨轉(zhuǎn)速的變化

圖18?平均側(cè)向力隨轉(zhuǎn)速的變化

3.2.5?側(cè)向力擬合

綜合以上數(shù)據(jù)及分析，用Matlab擬合工具箱對平均側(cè)向力進(jìn)行擬合，在螺距角變化按照正弦規(guī)律下，此推進(jìn)器平均側(cè)向力擬合公式為

4?水下航行器運(yùn)動仿真預(yù)測

4.1?運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)建模

此種推進(jìn)器采用螺距控制產(chǎn)生側(cè)向力和側(cè)向力矩，通過改變螺距控制的初始相位即可產(chǎn)生不同方向的側(cè)向力，達(dá)到水下航行器偏航、俯仰等操縱效果，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對自治水下航行器(AUV)的運(yùn)動控制．本節(jié)通過AUV運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)仿真驗(yàn)證此推進(jìn)器的操縱效果．AUV主要參數(shù)如表1所示．

表1?AUV參數(shù)

Tab.1?Parameters of AUV

圖19?坐標(biāo)系建立

AUV的平動運(yùn)動方程可以表示為

AUV的轉(zhuǎn)動運(yùn)動學(xué)方程為

基于裝有此推進(jìn)器AUV的動力學(xué)模型，可以運(yùn)用四階五級龍格-庫塔數(shù)值計(jì)算方法在Matlab中預(yù)測其在典型運(yùn)動方式下的操縱情況．

4.2?動力學(xué)模型驗(yàn)證

為了確保該模型預(yù)測的可靠性，利用實(shí)驗(yàn)室研制的矢量推進(jìn)式AUV在天津于橋水庫進(jìn)行的水域?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證[15]．將矢量推進(jìn)器的推力沿軸向與橫向分解，可得本文動力學(xué)模型所述的推力與側(cè)向力．圖20為AUV矢量推進(jìn)器水平擺角為15°、航行速度為1.5m/s時所做的回轉(zhuǎn)運(yùn)動水域?qū)嶒?yàn)．動力學(xué)模型預(yù)測回轉(zhuǎn)直徑為30m，水域?qū)嶒?yàn)測得的AUV的轉(zhuǎn)彎直徑為29m，預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，表明該動力學(xué)模型可靠．

圖20?水平回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

4.3?豎直面升潛運(yùn)動仿真預(yù)測

圖21?豎直面運(yùn)動軌跡

4.4?水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動仿真預(yù)測

PIAUV的水平運(yùn)動主要包括直航和回轉(zhuǎn)2個基本運(yùn)動．當(dāng)進(jìn)行直航時，推進(jìn)器不進(jìn)行螺距控制，轉(zhuǎn)速250r/min，產(chǎn)生的軸向推力為120N．當(dāng)進(jìn)行水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動時，設(shè)置推進(jìn)器螺距角變化幅值為9°，根據(jù)回轉(zhuǎn)方向從初始螺距控制相位180°開始進(jìn)行螺距控制，產(chǎn)生的側(cè)向力大小為40N，方向偏向航向左側(cè)．

圖22?水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動軌跡

5?推進(jìn)器實(shí)物及臺架測試

推進(jìn)器工程樣機(jī)如圖23所示，對推進(jìn)器的變螺距過程進(jìn)行臺架測試，利用電子凸輪技術(shù)實(shí)現(xiàn)螺距控制電機(jī)的速度正弦控制．

電子凸輪是模擬機(jī)械凸輪的一種智能控制軟件系統(tǒng)，利用構(gòu)造的凸輪曲線，使主軸與從軸實(shí)現(xiàn)設(shè)定的相對運(yùn)動．推進(jìn)器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡圖如圖24所示，電子凸輪主軸為推進(jìn)主軸，位置由主推電機(jī)的編碼器反饋，從軸為螺距控制軸．實(shí)驗(yàn)時首先根據(jù)從軸相對主軸的變速需求建立凸輪曲線并離散化為二維凸輪表，通過上位機(jī)CME軟件導(dǎo)入螺距控制電機(jī)驅(qū)動器中．在推進(jìn)器變螺距運(yùn)動實(shí)驗(yàn)過程中，主推電機(jī)驅(qū)動器通過讀取編碼器信號傳遞給螺距控制電機(jī)驅(qū)動器．電子凸輪根據(jù)凸輪表主從軸位置關(guān)系確定從軸即螺距控制軸目標(biāo)控制位置，采用輸出脈沖方式控制螺距軸實(shí)際位置，從而驅(qū)動螺距控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速周期性變化．

圖23?推進(jìn)器工程樣機(jī)

圖24?臺架測試

當(dāng)推進(jìn)器基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速設(shè)置為120r/min進(jìn)行正弦規(guī)律的變螺距控制時，螺距控制電機(jī)(減速比1∶23)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖25所示．可以看出在推進(jìn)器的變螺距實(shí)驗(yàn)過程中，螺距控制電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠按正弦規(guī)律周期性變化，整體誤差在可接受的范圍內(nèi)，該推進(jìn)器設(shè)計(jì)方案可以通過控制螺距控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速從而初步實(shí)現(xiàn)螺距的周期性變化．

圖25?臺架測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6?結(jié)?語

本文詳述了一種基于變螺距原理的矢量推進(jìn)器，該推進(jìn)器將推進(jìn)主軸與螺距控制軸同軸安裝，通過伺服電機(jī)實(shí)時控制槳葉螺距，可調(diào)整螺距角變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)側(cè)向力的可控輸出，具有操控性好、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的特點(diǎn)．本文所設(shè)計(jì)的推進(jìn)器結(jié)構(gòu)針對雙槳葉構(gòu)型，對于其他數(shù)量槳葉的推進(jìn)器，只要設(shè)計(jì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對每一片槳葉進(jìn)行相同的周期性螺距控制，同樣可以實(shí)現(xiàn)側(cè)向力的產(chǎn)生．臺架測試結(jié)果表明該變螺距原理能夠?qū)崿F(xiàn)槳葉螺距的周期調(diào)整，可用于實(shí)現(xiàn)AUV平臺的矢量推進(jìn)．

通過計(jì)算流體動力學(xué)仿真對此推進(jìn)器所產(chǎn)生操縱力的特性進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：采用正弦規(guī)律控制螺距角時，變螺距推進(jìn)器可產(chǎn)生穩(wěn)定的側(cè)向力，側(cè)向力曲線在槳盤極坐標(biāo)下為圓形；平均側(cè)向力方向與變螺距初始相位方向一致；在變螺距的過程中，推進(jìn)器的推力基本保持穩(wěn)定．

分析了變螺距推進(jìn)器平均側(cè)向力數(shù)值與螺距角變化幅值、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，分別在不同的螺距角變化幅值和不同的轉(zhuǎn)速下對推進(jìn)器的水動力性能進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明在仿真范圍內(nèi)，平均側(cè)向力的大小與螺距角變化幅值呈正比，與轉(zhuǎn)速的平方呈正比，通過調(diào)整變螺距推進(jìn)器的螺距角變化幅值與轉(zhuǎn)速即可調(diào)整側(cè)向力．研究結(jié)果還表明采用改變螺距角變化幅值方式調(diào)整側(cè)向力時，變螺距推進(jìn)器的平均推力變化不大．與已有矢量推進(jìn)方案相比，變螺距推進(jìn)器設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、能線性調(diào)整側(cè)向力而不損失推力的優(yōu)點(diǎn)．

建立了裝有此推進(jìn)器的水下航行器的動力學(xué)模型，利用實(shí)驗(yàn)室海試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的可靠性，預(yù)測了水下航行器在兩種典型工況下的運(yùn)動，結(jié)果表明采用此推進(jìn)器的AUV無需舵即可實(shí)現(xiàn)對AUV的運(yùn)動控制．

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Design and Research of Propeller Based on Variable Pitch

Zhang Hongwei，Chen Dongyuan，Zhang Yupeng，Liu Jun

(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

A scheme of underwater robot propeller which used variable pitch to realize lateral force output is proposed. The propeller has a main thrust motor，a pitch control motor and a gearset inside，and the pitch control shaft is mounted coaxial with the propulsion spindle. By controlling the motor，the pitch angle of the blade can be controlled periodically to realize the lateral force output. The hydrodynamic characteristics of the propeller are studied by computational fluid dynamics(CFD)method，and the results show that the lateral force can be generated by using the rule of sine curve to control the change of pitch angle；the lateral force curve is circular under the polar coordinate of the propeller disk；the direction of average lateral force is consistent with the initial phase direction of variable pitch；and when the pitch angle change amplitude is 9°，the average lateral force generated is about 40N. In addition，the relationship between the lateral force，thrust，and the amplitude of pitch angle change，the rotation speed is also simulated. The results show that when the pitch angle change adopts a sine curve，the average lateral force generated by the propeller is proportional to the pitch angle change amplitude and the square of the rotational speed；and the generated average thrust is not greatly affected by the amplitude of the pitch angle change，which is proportional to the square of the speed. The simulation results are applied to the autonomous underwater vehicle(AUV)dynamics model to verify the control of the AUV equipped with this propeller. The calculation results show that the AUV using this propeller can achieve good maneuvering effects when diving，floating underwater and turning horizontally. Compared with the traditional propeller＋rudder control mode，the structure is simple，the number of motors is reduced，and the utilization rate of AUV stern space is improved. Compared with the existing vector propulsion scheme，variable pitch propeller has the advantages of simple structure，high reliability and good lateral force controllability. Bench test shows that this variable pitch principle can realize the periodic adjustment of blade pitch and can be used to realize the vector propulsion of AUV platform.

propeller；variable pitch；computational fluid dynamics simulation；kinematics and dynamics

10.11784/tdxbz202205006

TK448.21

A

0493-2137(2023)08-0775-10

2022-05-06；

2022-06-06.

張宏偉（1976—??），男，博士，教授.Email：m_bigm@tju.edu.cn

張宏偉，zhanghongwei@tju.edu.cn.

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2019YFC0311701)；中國工程院院地合作重大咨詢項(xiàng)目(2021DFZD2).

the National Key Research and Development Program of China(No. 2019YFC0311701)，the Major Consulting Project of Academy-Local Cooperation of Chinese Academy of Engineering(No. 2021DFZD2).

(責(zé)任編輯：王曉燕)